Aluminiumoxid: Der kritische Engpass für zwei Billionen-Dollar-Märkte
Aluminiumoxid Aluminiumoxid spielt seit Langem eine wichtige Rolle in der Volkswirtschaft, sowohl als Rohstoff für Aluminiumprodukte als auch als Zusatzstoff in traditionellen Industrien wie der Petrochemie und dem Maschinenbau. Angesichts des kontinuierlichen Aufkommens und der rasanten Entwicklung neuer Branchen wie der Kommunikationstechnik, der erneuerbaren Energien und der Halbleiterindustrie steigt die Nachfrage nach leistungsstarken neuen Werkstoffen stetig. Bestimmte High-End-Aluminiumoxidprodukte gewinnen in diesem Kontext an Bedeutung, insbesondere in den Billionen-Dollar-Märkten der erneuerbaren Energien und der Halbleiterindustrie, wo Aluminiumoxid zu einem unverzichtbaren Basiswerkstoff geworden ist.
1. Die beiden größten Billionen-Dollar-Märkte.
- Halbleiter
Angesichts des kontinuierlichen Wachstums von Marktanwendungen in Bereichen wie künstlicher Intelligenz, 5G-Kommunikation, Internet der Dinge, Cloud Computing, Automobilelektronik, Robotik und Drohnen erlebt die Halbleiterindustrie einen rasanten Aufschwung. Laut Daten verschiedener Marktforschungsinstitute wird der Halbleitermarkt im Jahr 2024 voraussichtlich ein signifikantes Wachstum verzeichnen. So prognostiziert beispielsweise die World Semiconductor Trade Statistics Organization (WSTS), dass der globale Halbleitermarkt im Jahr 2024 ein Volumen von 4,5762 Billionen Yuan erreichen wird, was einem Anstieg von 19 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Es wird erwartet, dass der chinesische Halbleitermarkt um 20 % wachsen und damit 30 % des Weltmarktes ausmachen wird.
WSTS prognostiziert für den globalen Markt ein Wachstum von 11,2 % bis 2025 auf 697 Milliarden US-Dollar. Auch Deloitte geht von einem Umsatz von 697 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 aus und weist darauf hin, dass die Branche bis 2030 voraussichtlich ein Umsatzziel von 1 Billion US-Dollar erreichen wird.
- Neuer Energiemarkt
Im Bereich der Elektrofahrzeuge verzeichnet China seit 2021 einen starken Aufwärtstrend mit jährlichen Produktions- und Absatzwachstumsraten von über 30 % in vier aufeinanderfolgenden Jahren. 2024 überschritt das jährliche Produktions- und Absatzvolumen von Elektrofahrzeugen erstmals die 10-Millionen-Marke und erreichte 12,888 Millionen bzw. 12,866 Millionen Einheiten, was einem Wachstum von 34,4 % bzw. 35,5 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Der Anteil von Elektrofahrzeugen am gesamten Neuwagenabsatz stieg auf 40,9 %, ein Plus von 9,3 Prozentpunkten gegenüber 2023. Prognosen zufolge wird der Markt für Elektrofahrzeuge in China bis 2025 ein Volumen von 2,31 Billionen Yuan erreichen.Im Bereich der Batterien wird die chinesische Lithiumbatterieproduktion laut Angaben des Ministeriums für Industrie und Informationstechnologie im Jahr 2024 voraussichtlich 1.170 GWh erreichen, was einem Wachstum von 24 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Der Gesamtproduktionswert der Branche wird 1,2 Billionen RMB übersteigen.
2. Die Anwendung von Aluminiumoxid in der Halbleiterindustrie
- Halbleiterbauelemente
Aluminiumoxid Keramische Bauteile Aluminiumoxid-Keramikkomponenten zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften wie hohe Härte, hohe mechanische Festigkeit, außergewöhnliche Verschleißfestigkeit, Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, hohen spezifischen Widerstand und gute elektrische Isolationsleistung aus. Diese Eigenschaften ermöglichen es ihnen, die komplexen Leistungsanforderungen der Halbleiterfertigung unter speziellen Umgebungsbedingungen wie Vakuum und hohen Temperaturen zu erfüllen. Sie spielen eine unersetzliche und wichtige Rolle in Halbleiterfertigungslinien und werden in nahezu allen Halbleiterfertigungsanlagen eingesetzt, wodurch sie zu Schlüsselkomponenten der Halbleiterproduktion werden. Je nach Verwendungszweck werden Aluminiumoxid-Keramikkomponenten primär in Kategorien wie Ring- und Zylindertypen, Luftführungstypen, lasttragende und fixierende Typen, Spannscheibentypen und Modultypen unterteilt.
(1) Kategorie Kreiszylinder
Um in der Ätzphase die Kontamination des Wafers während des Plasmaätzprozesses zu reduzieren, werden korrosionsbeständige, hochreine Aluminiumoxidbeschichtungen oder Aluminiumoxid aufgebracht. Keramik ist als Schutzmaterialien für die Ätzkammer und die Auskleidung im Inneren der Kammer ausgewählt.
(2) Handgefasste Dichtungen
Beim Transport von Wafern kommen keramische Roboterarme aus Aluminiumoxidkeramik zum Einsatz, die an Wafer-Handling-Robotern montiert sind. Diese Roboterarme fungieren als die Hände des Roboters und bewegen die Wafer an die vorgesehenen Positionen, wobei ihre Oberflächen in direkten Kontakt mit den Wafern kommen. Da Wafer extrem anfällig für Verunreinigungen durch Fremdpartikel sind, findet dieser Prozess typischerweise im Vakuum statt. Unter diesen Bedingungen stoßen die meisten für Roboterarme verwendeten Materialien an ihre Grenzen; daher müssen sie hochtemperaturbeständig, verschleißfest und hochhart sein. Aufgrund der Anforderungen an die Arbeitsbedingungen werden die Arme üblicherweise aus hochreinem Aluminiumoxidkeramik gefertigt, wobei gleichzeitig die Präzision und Oberflächenrauheit der Keramikkomponenten gewährleistet werden. Gängige Bauformen sind Klemm-, Last-, Vakuumsaug- und Bernoulli-Arme.
(3)Keramiksubstrat
Keramische Substrate zeichnen sich durch hervorragende Isolationseigenschaften, hohe Festigkeit, niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ausgezeichnete chemische Stabilität und Wärmeleitfähigkeit aus und sind daher in der integrierten Schaltungstechnik weit verbreitet. Aluminiumoxidkeramik ist aufgrund ihrer hohen Dielektrizitätskonstante, die eine Miniaturisierung von Schaltungen ermöglicht, ein gängiges Substratmaterial in der Hochfrequenz- und Mikrowellenelektronik. Sie bietet zudem eine gute thermische Stabilität mit minimaler Temperaturdrift, hohe Substratfestigkeit und chemische Stabilität und übertrifft damit die meisten anderen Oxidmaterialien. Sie kann in verschiedenen Arten von Dickschicht-, Dünnschicht- und Hybridschaltungen sowie in Mikrowellenkomponenten und mehr eingesetzt werden. Darüber hinaus sind Aluminiumoxidkeramiksubstrate kostengünstig (etwa ein Zehntel des Preises von Aluminiumnitrid), verfügen über einen ausgereiften Produktionsprozess und sind derzeit das am weitesten verbreitete und am häufigsten produzierte Substrat.
(4) CMP-Poliermaterial
Aktuell ist die chemisch-mechanische Poliertechnologie (CMP) die einzige Schlüsseltechnologie, die eine vollständige Oberflächenglättung ermöglicht und in verschiedenen Prozessen wie dem Polieren von Halbleiterwafern, der Isolation flacher Gräben und der Kupferverbindung weit verbreitet ist. Die Schleifpartikel erfüllen beim CMP-Polieren primär die mechanische Funktion durch Methoden wie Mikroschneiden und -ritzen und sind daher unverzichtbare Bestandteile des CMP-Prozesses. Polierlösungen machen 49 % der Kosten von CMP-Poliermaterialien aus, während Schleifmittel etwa 50–70 % der Kosten von Polierlösungen ausmachen. Zu den heute am häufigsten verwendeten Schleifmitteln gehören SiO₂, CeO₂ und Al₂O₃. Hochreines, submikronäres, sphärisches Aluminiumoxidpulver dient als Schleifmittel in chemisch-mechanischen Polierflüssigkeiten und bietet eine hohe Abtragsrate, schnelles Polieren, eine geringere Wahrscheinlichkeit für die Entstehung feiner Kratzer auf der polierten Oberfläche und eine hohe Oberflächengüte, wodurch es sich für den Einsatz in Polierprozessen von Halbleitern eignet. Über diese Einführung hinaus reichen die Anwendungen von Aluminiumoxid in der neuen Energie- und Halbleiterindustrie weit über die genannten hinaus. Es wird beispielsweise in Keramikbauteilen wie Relais, Sicherungen und Dichtungsringen für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Sowohl im Bereich der neuen Energien als auch in der Halbleiterindustrie besteht eine gemeinsame Herausforderung im Bereich des Wärmemanagements.
Neben seiner Verwendung als Wärmeableitungssubstrat im Wärmemanagement wird Aluminiumoxid häufig als wärmeleitender Füllstoff in Materialien wie Wärmeleitpaste und Wärmeleitgel eingesetzt und spielt dabei eine entscheidende Rolle. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aluminiumoxidwerkstoffe ein enormes Anwendungspotenzial in den Billionen-Dollar-Märkten der neuen Energie- und Halbleiterindustrie bergen.